基于PLC的特高壓輸變電導(dǎo)線智能壓接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉洪正　丁寶民　呂念　馬鳳臣

摘 要：在特高壓輸變電導(dǎo)線的壓接過程中，傳統(tǒng)導(dǎo)線壓鉗技術(shù)在壓接過程中存在著操作繁瑣，壓接和測(cè)量尺寸不準(zhǔn)確，使用人工多等缺點(diǎn)。在傳統(tǒng)導(dǎo)線壓鉗的基礎(chǔ)上，以可編程邏輯控制器為主控器設(shè)計(jì)了一種智能數(shù)字化導(dǎo)線壓接控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)導(dǎo)線壓接過程，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化壓接、壓鉗自動(dòng)/手動(dòng)推進(jìn)、對(duì)邊距自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)保存、生成報(bào)表等功能，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：特高壓輸變電導(dǎo)線；導(dǎo)線壓鉗；可編程邏輯控制器

引言

隨著輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高和輸電容量越來越大，導(dǎo)線截面也隨之加大，在此情況下，采用導(dǎo)線壓接技術(shù)能夠明顯提高導(dǎo)線連接質(zhì)量，減少檢修和事故處理次數(shù)。導(dǎo)線液壓接續(xù)施工是架線施工中的一項(xiàng)重要隱蔽工序，通過壓接管多個(gè)點(diǎn)的壓縮變形對(duì)鋁股及鋼芯產(chǎn)生握著力。傳統(tǒng)的導(dǎo)線壓接工藝需要多人操作，工作效率低，而且由于人工操作會(huì)存在壓接測(cè)量尺寸不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。本文在傳統(tǒng)的導(dǎo)線壓鉗基礎(chǔ)上開發(fā)一種以西門子S7-200為控制器，工業(yè)平板為人機(jī)界面和上位機(jī)的智能數(shù)字化導(dǎo)線壓接控制系統(tǒng)，只需要操作人員在開始前輸入少量預(yù)設(shè)條件即可自動(dòng)開始準(zhǔn)確壓接以及測(cè)量。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

整個(gè)智能壓接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)按功能分成4個(gè)部分：尺寸測(cè)量部分，自動(dòng)壓接部分，自動(dòng)推進(jìn)部分，數(shù)據(jù)處理部分。

1.1尺寸測(cè)量部分

尺寸測(cè)量部分的作用為測(cè)出導(dǎo)線六邊形壓接點(diǎn)的三組對(duì)邊距。分別在測(cè)量模具和液壓鉗兩處安裝距離傳感器，然后通過間接換算求得導(dǎo)線尺寸。在測(cè)量模具處進(jìn)行尺寸測(cè)量的作用，為在自動(dòng)壓接過程結(jié)束后，測(cè)量導(dǎo)線各壓接點(diǎn)的三組對(duì)邊距并生成最終測(cè)量數(shù)據(jù)起主要作用，因此精度要求較高。而在液壓鉗處進(jìn)行尺寸測(cè)量的作用主要在于在自動(dòng)壓接過程中輔助液壓鉗完成壓接。

在液壓鉗處傳感器的安裝如圖2所示，在液壓鉗下半段鋼模處設(shè)計(jì)如圖所示的測(cè)量凸臺(tái)，凸臺(tái)與下半段鋼模相連兩者相對(duì)靜止，在液壓鉗兩側(cè)如圖固定位置安裝3個(gè)距離傳感器。首先不放導(dǎo)線空模對(duì)接，空模對(duì)接上下模具接合時(shí)六邊形口H1，H2，H3三組標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邊距已知，三個(gè)距離傳感器測(cè)出到凸臺(tái)的距離D1，D2，D3，以圖2中D1為例，放入導(dǎo)線進(jìn)行壓接時(shí)，傳感器測(cè)得距離變化量為△D1，由于凸臺(tái)與下半段鋼模共同上下移動(dòng)，因此H1的變化量也為△D1，通過H1+△D1可得導(dǎo)線兩條垂直受力邊目前的對(duì)邊距。可通過同樣方法由D2，D3得到另外兩個(gè)對(duì)邊距，利用距離變化量而非距離本身消除了距離測(cè)量的起始公差。液壓鉗上安裝空間有限，因此對(duì)傳感器體積要求很小。本文選擇微型激光傳感器體積為44.4×31×17mm，便于安裝在狹小的空間，而測(cè)量分辨率達(dá)到1um，且測(cè)量范圍10-20mm足夠滿足要求。

測(cè)量模具的設(shè)計(jì)以及測(cè)量原理如圖3所示，整體形狀為正六邊形，模具上安裝有合頁(yè)及搭扣可以將模具上一半進(jìn)行開合從而方便導(dǎo)線的放入和取出。在模具內(nèi)部如圖位置安裝距離傳感器，六邊形模具對(duì)邊傳感器之間距離為L(zhǎng)。導(dǎo)線被壓接完從模具中通過時(shí)，6個(gè)傳感器讀出到導(dǎo)線壓接點(diǎn)的距離L1至L6。用L-L1-L2和L-L3-L4以及L-L5-L6分別求出導(dǎo)線三個(gè)對(duì)邊距。最后將這三組數(shù)據(jù)作為對(duì)邊距檢測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)量模具傳感器的選擇主要要求是高精度，因此選擇激光三角反射式傳感器，測(cè)量分辨率達(dá)到0.8um，測(cè)量范圍為45-95mm，滿足本文提出的測(cè)量指標(biāo)。

1.2自動(dòng)壓接部分

自動(dòng)壓接部分的作用是按預(yù)定尺寸準(zhǔn)確完成導(dǎo)線上點(diǎn)的壓接。該部分主要由液壓泵和液壓鉗組成，其中液壓泵與液壓鉗相連提供液壓。液壓泵上裝有壓力傳感器和電磁閥。電磁閥根據(jù)液壓泵油路選擇三位四通型，可實(shí)現(xiàn)加壓、減壓、維持壓力三個(gè)動(dòng)作；壓力傳感器精度等級(jí)0.25，響應(yīng)時(shí)間8ms，保證了壓接過程的反應(yīng)速度以及壓接質(zhì)量。

通過工業(yè)平板設(shè)置預(yù)設(shè)壓接壓力SV，PLC控制電磁閥使得液壓不斷上升推動(dòng)液壓鉗活塞，同時(shí)壓力傳感器不斷向PLC反饋壓力值PV1，當(dāng)壓力值PV1達(dá)到預(yù)設(shè)值SV時(shí)，控制電磁閥處于中位，液壓值不變活塞停止，通過距離傳感器計(jì)算出三條對(duì)邊距并計(jì)算出其中最大值，如果最大值滿足預(yù)設(shè)要求，則維持一段時(shí)間使壓接成型之后PLC控制電磁閥減壓，準(zhǔn)備下一個(gè)點(diǎn)的壓接。如果最大值比預(yù)設(shè)值大，則PLC控制電磁閥繼續(xù)加壓，直到對(duì)邊距滿足要求，此時(shí)壓力為PV2，將預(yù)設(shè)壓接壓力SV改為Pv2之后控制電磁閥減去壓力。如果達(dá)到最大壓力或?qū)Ь€壓接尺寸不再發(fā)生變化時(shí)仍不滿足尺寸要求則報(bào)警請(qǐng)求人為干預(yù)。

1.3自動(dòng)推進(jìn)部分

自動(dòng)推進(jìn)部分完成系統(tǒng)在各個(gè)壓接點(diǎn)之間的準(zhǔn)確移動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要由滾珠絲杠滑臺(tái)、雙軸帶刻度手輪的步進(jìn)電機(jī)組成。滑臺(tái)有效行程1800mm，可載200kg重物，定位精度0.03mm。液壓鉗和測(cè)量模具被螺栓固定在滑臺(tái)的兩個(gè)高度差為30mm的滑塊上，在整個(gè)移動(dòng)過程中兩者水平距離保持恒定，傳感器部分均用防護(hù)罩保護(hù)以防止干擾?；_(tái)兩端裝有兩根可調(diào)節(jié)高度的伸縮桿，伸縮桿頂部裝有抱箍可以固定一定范圍內(nèi)直徑的導(dǎo)線，使得導(dǎo)線與地面平行并且緊貼液壓鉗下半模具，同時(shí)導(dǎo)線中心點(diǎn)和測(cè)量模具六邊形中心點(diǎn)重合方便測(cè)量。

推進(jìn)方式分為電動(dòng)推進(jìn)和手動(dòng)推進(jìn)兩種，選擇電動(dòng)推進(jìn)方式時(shí)依靠57步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的電機(jī)，主要由PLC提供高頻脈沖信號(hào)和代表正反轉(zhuǎn)的數(shù)字量輸出進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)保持力矩為1.8NM，推進(jìn)系統(tǒng)所需扭矩不到0.17NM，足夠系統(tǒng)平穩(wěn)推進(jìn)。選擇手動(dòng)推進(jìn)方式時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸裝有刻度手輪，壓接開始前選用手動(dòng)推進(jìn)方式控制驅(qū)動(dòng)器解除步進(jìn)電機(jī)自鎖狀態(tài)即可搖動(dòng)手輪通過刻度精確移動(dòng)液壓鉗。

壓接的第一點(diǎn)由人工選擇，固定好導(dǎo)線，之后PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的導(dǎo)線壓接型號(hào)從程序中自動(dòng)讀取壓接路線。通過控制步進(jìn)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度，從而控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)完成搭載液壓鉗和測(cè)量模具平臺(tái)的水平移動(dòng)。壓接完畢后，控制平臺(tái)向左移動(dòng)固定的距離使得測(cè)量模具對(duì)準(zhǔn)最后的壓接點(diǎn)，接著沿壓接路線的反方向依次對(duì)每個(gè)壓接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

1.4數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分的作用為將結(jié)果數(shù)據(jù)生成相應(yīng)格式報(bào)表。這部分功能由PLC和工業(yè)平板完成。

壓接開始前，操作員通過觸摸屏輸入壓接型號(hào)，組態(tài)軟件為每個(gè)壓接點(diǎn)提供如下變量：壓接序號(hào)、壓力值、壓接和測(cè)量過程中分別測(cè)得的三組對(duì)邊距值。每個(gè)點(diǎn)自動(dòng)壓接完成后，PLC將最終壓力值以及液壓鉗測(cè)得的三組對(duì)邊距值送往平板電腦中，由組態(tài)軟件自動(dòng)歸檔。每個(gè)點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量完成后，PLC再將測(cè)得的三組對(duì)邊距進(jìn)行歸檔。最終自動(dòng)將數(shù)據(jù)生成Excel以及pdf文件以供參考，并可通過與平板連接的打印機(jī)實(shí)現(xiàn)打印功能。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC選擇西門子系列S7-200，CPU為224XP。因?yàn)橐?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所以選擇晶體管輸出型，提供有高速脈沖輸出以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并帶有1個(gè)4通道模擬量輸入模塊EM231用來接收液壓鉗上3個(gè)距離傳感器和1個(gè)壓力傳感器4-20mA模擬量輸出信號(hào)。另外由于測(cè)量模具上6個(gè)距離傳感器輸出信號(hào)是以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)，因此再帶有1個(gè)以太網(wǎng)通信模塊CP243-1和1個(gè)交換機(jī)用來和它們組成局域網(wǎng)進(jìn)行通信。選用西門子IPC677D系列的平板電腦作為人機(jī)界面，安裝Win7操作系統(tǒng)以及WinCC組態(tài)軟件，同時(shí)作為上位機(jī)使用，附帶連接打印機(jī)能夠打印測(cè)量結(jié)果。

系統(tǒng)的所有硬件配置如表1所示：

系統(tǒng)所有的硬件供電模塊均由350W工業(yè)開關(guān)電源負(fù)責(zé)，220V交流電和開關(guān)電源之間為了保證安全加上總開關(guān)進(jìn)行控制。

PLC控制系統(tǒng)的接線圖如圖5所示：

3軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

導(dǎo)線壓接測(cè)量整個(gè)過程的控制系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

PLC程序是通過STEP7 MicroWIN_V4 SP9軟件采用梯形圖進(jìn)行開發(fā)，主要PLC網(wǎng)絡(luò)程序包括系統(tǒng)初始化，距離，壓力傳感器檢測(cè)值的A/D轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的接收，手動(dòng)電動(dòng)方式的選擇，電磁閥的三位控制，步進(jìn)電機(jī)的方向角度控制，預(yù)設(shè)壓力值的調(diào)整，壓力值以及對(duì)邊距等數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)。

3.2工業(yè)平板軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)平板的組態(tài)界面由WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)功能要求，組態(tài)界面主要應(yīng)具有以下功能：參數(shù)輸入，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，生成報(bào)表文件。前兩個(gè)功能除了設(shè)計(jì)相應(yīng)的界面，主要在于將人機(jī)組態(tài)界面與PLC的輸入輸出口及存儲(chǔ)單元之間建立相應(yīng)的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏敏感元件對(duì)PLC參數(shù)的輸入及PLC當(dāng)前值及歷史信息自觸摸屏的輸入。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能主要通過WinCC中集成的VBS腳本來完成，利用VBS腳本，WinCC可以實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)以及Excel等軟件的連接。通過ADO的形式與SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)連接并在特定的時(shí)間向其中寫入數(shù)據(jù)。生成報(bào)表文件要求將測(cè)得壓力值以及對(duì)邊距以Excel及pdf形式的文件表現(xiàn)出來。利用SQL語句訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel文件中生成表格。pdf文件通過VBS腳本調(diào)用Acrobat Distiller對(duì)象即可生成。通過WinCC軟件與內(nèi)嵌腳本VBS相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及報(bào)表生成打印等功能。

4結(jié)語

提出了一種智能數(shù)字化導(dǎo)線壓接控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。采用可靠性高的S7-200可編程控制器，增加了人機(jī)界面，簡(jiǎn)化了壓接步驟，節(jié)省了人力資源，提高了壓接精度。整套系統(tǒng)具有操作方便，精度高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的應(yīng)用前景。

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